譚猛
摘? ?要:小型立體倉庫改變了以往倉儲模式,實現(xiàn)倉庫自動化控制,并在倉儲行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。結(jié)合組態(tài)王和PLC控制系統(tǒng)設(shè)計一種新的小型立體倉庫方案,從組態(tài)設(shè)計及PLC系統(tǒng)設(shè)計兩方面進行展開,構(gòu)建更高效的倉庫控制系統(tǒng),提升立體倉庫應(yīng)用便捷性和靈活性,以期能夠提高倉庫自動化水平,節(jié)約更多的人力、物力,推動小型立體倉庫進一步發(fā)展、普及。
關(guān)鍵詞:組態(tài)王;可編程邏輯控制器;小型立體倉庫
小型立體倉庫能夠在自動控制的狀態(tài)下,完成存儲、出庫、統(tǒng)計等一系列倉儲活動,將倉儲物流與計算機、網(wǎng)絡(luò)及自動控制系統(tǒng)相結(jié)合,帶來一種更加高效的管理方式。立體倉庫的出入庫能力較強,能夠明顯提高倉儲空間利用率,進而節(jié)約倉儲成本,防止資金積壓。如上功能的實現(xiàn)需要建立在高質(zhì)量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,因此有必要將組態(tài)王和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)融入其中,優(yōu)化小型立體倉庫設(shè)計。
1? ? 基于組態(tài)王的小型立體倉庫設(shè)計
1.1? 模擬功能
設(shè)計方案以組態(tài)王為組態(tài)軟件,在此環(huán)境下完成對上位機的設(shè)計。選用該軟件的主要原因是系統(tǒng)界面為全中文、人機交互性優(yōu)良、操作過程簡單、各項控制參數(shù)的修改和調(diào)整相對靈活。通過觀察參數(shù)調(diào)整后系統(tǒng)變動曲線即可找出其變化趨勢,有利于控制系統(tǒng)設(shè)計實驗的開展。
利用組態(tài)王軟件對小型立體倉庫的原理及工作流程進行設(shè)計。系統(tǒng)包括以下元件:(1)操作按鍵。帶有英文字母標識的按鍵對應(yīng)倉庫巷道,用于控制堆垛機的運行路線。帶有數(shù)字標識的按鍵對應(yīng)貨架層數(shù),用于控制升降臺的運行路線。另有啟停控制按鈕,控制整個系統(tǒng)的開閉。(2)電動機。系統(tǒng)中包括3臺電動機,分別用于堆垛機、傳送帶和升降臺的控制??衫每刂瓢粹o調(diào)整電動機的運行狀態(tài),使堆垛機、傳送帶和升降臺相互配合,將貨物運送至指定位置。(3)堆垛機。堆垛機是小型立體倉庫中的關(guān)鍵設(shè)備,具備手動控制、自動控制和半自動控制功能,負責(zé)貨物的平面運輸,其結(jié)構(gòu)主要包括機架、提升構(gòu)件、移動構(gòu)件、貨叉、控制系統(tǒng)、載物臺等[1]。堆垛機選型是立體倉庫設(shè)計的重點工作,常見的堆垛機形式包括雙軌巷道式、單立柱式、單軌巷道式等,需結(jié)合倉儲特點進行選擇。在參數(shù)設(shè)定上,結(jié)合倉儲流量,推算堆垛機的理論運行速度和提升速度。(4)傳送系統(tǒng)。傳送系統(tǒng)負責(zé)貨物位置移動,小型立體倉庫的傳送系統(tǒng)包括升降臺、提升機、鏈條輸送機等,同樣需依照倉儲流量設(shè)定速度參數(shù)。(5)貨架。貨架設(shè)計在一定程度上決定了倉庫空間的可利用率,自動化倉庫常用橫梁式貨架和框架式貨架,一般需根據(jù)倉儲貨物的外觀、尺寸及質(zhì)量進行選擇。
在本研究的設(shè)計中,傳動系統(tǒng)包括堆垛機、傳送帶和升降臺,由相應(yīng)電動機控制。傳送帶帶動升降臺進行水平移動,升降臺再將貨物運送至相應(yīng)的垂直高度,并選用框架式貨架,利用托盤將貨物運送到指定位置。
1.2? 監(jiān)控功能
1.2.1? 框架設(shè)計
小型立體倉庫組態(tài)界面被分為兩個區(qū)域,即按鍵區(qū)和顯示區(qū)考慮到人機交互的便捷性,將按鍵區(qū)設(shè)計在顯示區(qū)下方。按鍵區(qū)除對應(yīng)巷道及庫位的按鈕及啟停按鍵外,還設(shè)有各類指示燈,包括運行指示、空閑指示、報警指示燈。指示燈設(shè)計可結(jié)合小型立體倉庫的倉儲物流需求進行,若倉庫功能較為簡單且倉儲活動密度較低,可選擇忽略[2]。界面提供上下、左右、前后動作操控,可對運輸系統(tǒng)設(shè)備進行控制。
報警指示燈給出報警提示,當(dāng)小型立體倉庫的倉儲活動發(fā)生問題或系統(tǒng)中設(shè)備出現(xiàn)異常時,提示現(xiàn)場操作人員對故障點及異常點進行檢查并處理,以免給倉庫造成額外損失。本設(shè)計方案添加了開關(guān)量報警模塊,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)問題時,自動給出報警提示和相關(guān)信息,可在交互界面觀察到報警指示燈閃爍并有提示窗口彈出。此時,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動記錄報警時的狀態(tài)數(shù)據(jù),若具體參數(shù)已達到事先設(shè)定的臨界值,自動作出停機處理,對組態(tài)進行保護。
1.2.2? 具體應(yīng)用
對組態(tài)王監(jiān)控功能的使用方法進行介紹。首先,新建小型立體倉庫工程,新建設(shè)計界面并進入開發(fā)系統(tǒng),使用各類工具繪制小型立體倉庫的組態(tài)結(jié)構(gòu)。其次,進入數(shù)據(jù)庫詞典,編輯變量,如A存、A取、1存、1取等。變量需對應(yīng)小型立體倉庫設(shè)計要求,并設(shè)置初始坐標。再次,進行畫面設(shè)計,選取所需圖形,并與變量相連。例如在界面點擊貨物圖標,自動彈出圖形連接對話框,選取所需變量并確認,完成連接操作。最后,編輯命令語言。命令語言編輯是組態(tài)模擬的關(guān)鍵步驟,在命令語言對話框中建立事件命令。本方案命令語言描述為以下流程:點擊巷道及庫位案件,升降臺達到指定位置,提升完成取貨任務(wù)。將貨物移動至傳送帶并回到初始位置。點擊存貨按鍵和啟動按鍵,傳送帶和升降臺水平移動,到達指定位置后將貨物提升至存放點。
1.3? 數(shù)據(jù)庫搭建
數(shù)據(jù)庫也是組態(tài)王軟件的核心結(jié)構(gòu)之一,通過數(shù)據(jù)庫將上位機及下位機相連,實現(xiàn)組態(tài)王與PLC系統(tǒng)的配合與聯(lián)動。小型立體倉庫現(xiàn)場工況以視頻形式呈現(xiàn)在監(jiān)視屏中,在操作人員通過計算機系統(tǒng)下達具體動作指令后,指令信息必須在最短的時間內(nèi)傳輸至倉儲現(xiàn)場,以上過程均需要依托功能優(yōu)良的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫的搭建核心工作為對數(shù)據(jù)變量的定義,包括數(shù)據(jù)量的名稱、型號、初始值和限定范圍等。
2? ? 下位機設(shè)計
2.1? PLC選型
2.1.1? 電壓設(shè)計
PLC系統(tǒng)的電壓需根據(jù)供電系統(tǒng)電壓確定,通常情況下應(yīng)避免從動力電源直接取電,可使用隔離變壓器將電源系統(tǒng)劃分為動力電源和控制電源兩部分,安裝濾波器,做好抗干擾工作。本研究設(shè)計的PLC系統(tǒng)使用24 V直流電壓。
2.1.2? 點數(shù)選擇
點數(shù)選擇指的是整個控制系統(tǒng)中所需要的PLC輸入及輸出點數(shù)的確定。若為改進方案,可依照事先設(shè)計好的數(shù)量進行選取;若為首次設(shè)計,為確保點數(shù)足夠,可適當(dāng)預(yù)留[3]。本次設(shè)計通過計算,決定設(shè)計輸入點數(shù)36個,輸出點數(shù)17個。
2.1.3? 觸點類型
輸出觸點類型一般選取繼電器或晶體管,具體如何選擇需要考慮執(zhí)行系統(tǒng)電源的電壓大小及功率情況。若系統(tǒng)存在高壓脈沖需求,當(dāng)輸出控制步進電機或進行系統(tǒng)輔助時,必須選取晶體管。本研究的設(shè)計也選擇該類型的輸出觸點。
2.1.4? PLC選型
小型立體倉庫中常用的S7類PLC具備體積小、輕便、標準化程度高、通信性能強等優(yōu)勢。在該類PLC中,因功能、性能上的差異被分為S7-200、S7-300、S7-400等型號。這些型號的PLC自帶高速脈沖輸出端,可較好地配合步進電機的應(yīng)用。結(jié)合小型立體倉庫控制需求,本研究選取S7-200型號PLC。S7-200型號PLC在可擴展性及靈活性上存在優(yōu)勢,若在實際應(yīng)用中需要添加輸入/輸出(Input/Output,I/O),利用擴展模塊即可完成,避免了更換機型的麻煩,有利于減少后期升級投入。設(shè)計方案中輸入及輸出點共計53個,因此要求PLC的I/O點至少為53個。
2.2? 步進電機選型
步進電機又稱脈沖電動機,作用是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移,且這種轉(zhuǎn)換不涉及電動機的變換。步進電機的位移量與脈動信號之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系,且這一關(guān)系不受電壓、負載等情況的影響。另外,步進電機每個旋轉(zhuǎn)周期對應(yīng)固定的步數(shù),在正常情況下電機出現(xiàn)的誤差不會被積累擴大。此外,步進電機具備優(yōu)良的控制能力,例如在開環(huán)系統(tǒng)中,可對較大范圍內(nèi)的脈沖頻率進行調(diào)整,以控制電機轉(zhuǎn)速。
2.2.1? 電機選型
基于組態(tài)王及PLC的小型立體倉庫設(shè)計中,步進電機的選擇應(yīng)通過計算找出最佳的步進電機類型,然后再選取適合的型號。小型立體倉庫中使用的步進電機應(yīng)具備電壓、電流低的特點,并存在定位轉(zhuǎn)矩,由螺旋結(jié)構(gòu)進行安裝固定。若為首次設(shè)計,步進電機應(yīng)進行2倍預(yù)留。綜上,決定選用2相8拍步進電機。該步進電機體積小、運行頻率較高,具體型號為42BYGH1O1,額定轉(zhuǎn)矩0.44 N·M,總重0.24 kg,以24 V電壓驅(qū)動。
2.2.2? 組件選型
(1)驅(qū)動器。選用SH驅(qū)動器,其結(jié)構(gòu)包括電源輸入模塊、信號輸入和輸出模塊。微型驅(qū)動器的供電電壓一般在24~40 V,本設(shè)計的PLC系統(tǒng)要求使用開關(guān)式穩(wěn)壓電源,因此將倉庫電源設(shè)計為開關(guān)式穩(wěn)壓電源。驅(qū)動器的具體型號為2H057,主體結(jié)構(gòu)為鑄鋁材質(zhì),密封性好,適用于小型驅(qū)動器。由于驅(qū)動器本身未設(shè)置風(fēng)機,需要依靠外殼進行散熱,因此在安裝時,需要將驅(qū)動器固定在壁厚較大的金屬機柜上,并在接觸面涂刷硅脂,方便散熱[4]。結(jié)合小型立體倉庫的設(shè)置地點,可選擇額外安裝風(fēng)機輔助散熱。(2)微動開關(guān)。微動開關(guān)設(shè)置數(shù)量對應(yīng)小型立體倉庫倉位,當(dāng)發(fā)生貨物運輸活動時,相應(yīng)的微動開關(guān)作出反應(yīng)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,在X軸左限位及Y軸下限位增設(shè)微動開關(guān)用作位置保護,避免在倉儲使用過程中因程序問題導(dǎo)致其遭到破壞。(3)傳感器。選用接插件式傳感器,設(shè)置變調(diào)光,以免外界光對系統(tǒng)造成干擾。傳感器自帶指示燈,以便直觀確認動作。傳感器回路中包括3根接線,分別接入電源正負極及信號輸出,為保證傳感器的靈敏性,檢測距離不應(yīng)過短。
2.3? 流程設(shè)計
以某貨物存放為例,對PLC控制的倉庫自動化流程設(shè)計進行介紹。
(1)檢測系統(tǒng)對貨物進行檢測,若合格,將貨物運輸至倉庫自動化系統(tǒng)起始點。(2)托盤提取貨物,并設(shè)計2~3 s時滯,確定貨物是否存放牢固,結(jié)合傳送系統(tǒng)將貨物提升至指定位置。系統(tǒng)檢測貨物達到X、Y方向的限位開關(guān),自動關(guān)閉電動機。(3)系統(tǒng)根據(jù)倉庫倉儲信息,判斷該位置是否為空閑狀態(tài),若非空閑,再次尋找目標位置;若空閑,則將貨物存放至該地點。(4)放置貨物的過程中同樣設(shè)計2~3 s時滯,確保貨物放置平穩(wěn)后再撤除托盤。(5)Z軸方向氣缸收縮,觸碰到該方向限位開關(guān)后,停止運動。(6)X、Y兩方向電動機向原點運動,觸碰到本方向限位開關(guān)后停止運動。系統(tǒng)回到初始狀態(tài),準備下一次運輸任務(wù)。
3? ? 結(jié)語
本研究給出一種結(jié)合組態(tài)王軟件及PLC系統(tǒng)的小型立體倉庫設(shè)計方案。基于該設(shè)計,小型立體倉庫能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制和實時監(jiān)管。該控制系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、擴展靈活、人機交互良好等特點,值得在小型立體倉庫設(shè)計中大面積推廣。實際工作中,相關(guān)人員應(yīng)充分分析小型立體倉庫物流倉儲需求,明確流量、密度等信息,對控制系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備做合理化選型,在滿足良好控制功能的基礎(chǔ)上,提高小型立體倉庫運行經(jīng)濟性。
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